TSP隧道超前地質預報數據采集的影響因素及處理解譯

曹旭華

摘 要：在隧道開挖過程中不可避免的會遇到諸如斷層破碎帶、溶洞、軟弱地層等不良地質體，易出現塌方、冒頂、突水突泥以及巖爆等地質災害，給隧道施工帶來重大的安全事故和質量問題，造成的損失巨大。所以，采用多種手段、多方法進行綜合超前地質預報，對施工安全、進度和質量具有十分重大的意義。

關鍵詞：TSP法;超前地質;隧道

中圖分類號：U452.11 文獻標識碼：A

隨著近年來我國交通、水利水電事業的快速發展，長大山嶺隧道工程數量不斷增加，隧址區的地質條件復雜多變，地表勘察工作受多方面因素的影響，要詳細反映出隧道地質情況的難度大，施工中直接開挖掘進存在很大的不確定性和危險性。在眾多超前預報方法中，TSP法超前地質預報具有使用范圍廣、預報距離長、對施工干擾小、預報結果信息豐富等優點，被大量使用并具有很好的發展前景。

1 TSP法工作原理

TSP法（Tunnel Seismic Prediction），其原理與其它反射地震波法相同，工作基礎是地震波在介質中的傳播與反射原理。地震波源采用少量炸藥在隧道側壁人工激發產生，激發的地震波在介質中以球面形式傳播，當遇到介質界面或不良地質體（如斷層、構造破碎帶等）時，部分地震波被反射回來，反射回來的地震波被高靈敏度地震檢波器所接收。反射地震波在介質中的傳播時間與檢波器與介質界面的距離成正比關系，根據檢波器接收地震波返回的時間與方向等參數，通過軟件處理，即可以計算得到介質界面的位置。

隧道地震波地質預報系統分為洞內數據采集和室內計算機分析兩部分。洞內數據采集系統主要有傳感器、數據記錄儀以及起爆設備等組成。傳感器主要用來接收地震波信號;記錄儀是將接收到的信號放大、模數轉換并進行測量過程控制;起爆設備主要用來起爆電雷管和炸藥。室內計算機分析系統是將洞內采集的原始數據輸入到計算機上，應用數據處理軟件進行地震波分析處理，主要由三個程序塊組成，即：數據庫部分、震動數據處理部分、確定反射界面部分。

2 影響TSP法隧道超前地質預報效果的主要因素

2.1 原始數據采集質量差

觀測系統建立不滿足要求，如激發孔與檢波孔間距與孔深不滿足預報要求，造成原始數據的有效性和可靠性降低。傳感器未與圍巖充分耦合或耦合不好，造成反射信號能量損失，同時在一定程度上會產生干擾信號，降低采集信號的信噪比，影響預報效果。激發能量選擇不合理，激發能量過小，接收的反射信號弱，影響探測距離與探測深度，激發能量過大，影響探測的分辨率和精度。激發孔未封堵或封堵不密實，爆破形成的“隧道管波”對有效波干擾，影響預報成果的真實性。此外，采集現場的機械振動、其它噪聲干擾及雷管選擇不當帶來的時間誤差都會影響原始數據的可靠性。

2.2 預報數據處理與解譯不準確合理

隧道超前地質預報要求預報人員具有相應的物探和地質知識，對隧道基本地質和水文情況有充分的了解，對各類地質模型的分及布發育規律熟悉。如預報人員不具備以上專業技能，照本宣科，預報數據處理過程中軟件應用、參數設置不合理，數據解譯過程中忽視實際地質情況，對層位圖、速度圖和其它相應的物性參數分析不充分，漏掉異常或增加了虛假異常，出現漏報和錯報。致使解譯結論的片面和失準，處理結果失真或有效性大大降低。預報數據處理與解譯不準確合理，造成解譯結論與實際開挖情況相差甚遠，對工程施工不具指導意義。

3 TSP法數據處理與解譯

TSP法數據處理在隧道超前地質預報中尤為重要，將采集的原始數據經多步驟處理，提取出其中有效、有用信息，利用這些信息解譯出掌子面前方一定范圍內不良地質體的賦存狀態、規模、范圍以及其產出形狀等信息，為隧道施工提供指導。

TSP數據處理可分為預處理、常規處理和解譯處理三個步驟，具體分析如下：

3.1 預處理

預處理的步驟有數據合并、建立觀測系統。數據合并時要求按炮檢距由小到大按自然序號排序、每炮記錄中各記錄道的方向（即選定記錄的X、Y、Z方向屬性），如果有記錄質量不滿足要求的需要刪除。上述記錄合并參數確定后進入觀測系統設置界面，在該界面內確定檢波點的樁號、掌子面的樁號以及各炮點到檢波點的距離等重要信息。需要注意的是在對記錄進行排序時，需將所有記錄根據文件名中的數字按“升序”、“降序”排列。

3.2 常規處理

①初至拾取：其主要目的是對激震炮觸發延時進行校正，去除觸發干擾信號，為數據分析過程時的速度建模提供基礎參數。

②能量平衡：用于校正由于各個激震炮的炸藥量不相同，耦合條件不同等原因造成的各道原始數據存在較大差異的問題。利用初至拾取的初至時間信息，以初至時間開始取全時窗或者固定的時間窗口，然后按各激發道空間位置計算所得的能量值繪制成圖并擬合。

③擴散補償：用于補償由于激發的地震波在球面擴散中引起的能量損失，非必須步驟。

④頻率濾波：在頻率域內進一步提取有效信號抑制干擾波的方法。該功能可應用到處理流程中的任何地方、即在任何處理功能模塊后均可進行濾波。亦可在原始記錄調入、初至拾取完畢后先濾波再做其它處理。該功能根據信號頻率將信號加以約束，使有效的信號從噪聲中分離出來，有效信號頻率顯示在地震振幅頻譜中“能量”集中的區域，建議在一組數據處理中所有的濾波操作選擇相同的濾波參數。

⑤自動增益控制：自動增益控制是信號道內能量均衡處理方法。根據相應的算法實現在記錄道中將能量較強的信號乘一個小的放大倍數、而信號弱的地方乘一個大的放大倍數，最終使整道的記錄從早期信號到晚期信號其能量分布相對較均勻，該功能為非必須步驟。

⑥波場分離：根據有效反射波與干擾波的視速度差異，利用角度濾波的方法提取有效波、濾除干擾波。

⑦PS波分離：此功能用于從X、Y和Z分量記錄中提取P波、SH波和SV波記錄，以進一步獲取縱、橫波速度分布圖，是數據處理流程中的必須步驟。

3.3 解譯處理

①速度掃描：通過迭代計算確定測量距離內震動波的速度分布。

②偏移成像：利用速度掃描計算得到的速度模型進行深度偏移計算，用于計算激發點和接收點在速度模型上傳播時間及反射系數，將目標體的位置投影到空間域，確定目標體的空間信息。

③地質解譯：根據偏移成像提取的目標體位置信息，綜合速度分析成果，將縱波速度Vp、橫波速度Vs、縱橫波速度比Vp/Vs、泊松比和動彈性模量等參數以及反射界面均成圖于“成果解釋”界面中，根據以上信息對隧道地質信息及不良地質體進行推斷與預報。

4 相關建議

實踐證明，想要提高TSP預報系統在隧道超前地質預報中的實際效果，需要做到以下幾方面：

（1）預報人員要有相應的物探理論知識和工程地質專業知識，熟悉隧道施工流程、不良地質體發育規律。

（2）在原始數據采集中，預報人員需深入現場，認真觀察和記錄相關地質信息，嚴格控制激發炮爆破質量，保證原始數據采集有效性。

（3）原始數據處理時選擇合理的參數，多次處理分析對比，總結經驗。

（4）數據解譯中，仔細分析各成果圖，結合掌子面地質情況等進行綜合分析判識。預報后跟蹤隧道開挖情況，對比總結解譯準則，在實際工作中進行動態修正，以期提高預報水平和預報準確度。